Zwerm piepkleine drones verkent onbekende omgeving (video)

Het werk is gepubliceerd in Science Robotics.

Inspiratie uit de natuur

Insectenzwermen brachten robotici op het idee dat kleine robots hun individuele beperkingen kunnen overwinnen door als zwerm te opereren. Zwermen kleine, goedkope robots kunnen taken uitvoeren die buiten de mogelijkheden vallen van grote, individuele robots. Zo kan een zwerm kleine, vliegende drones een rampgebied veel sneller verkennen dan één grotere drone.

Reddingsoperaties

Het team werkt nu 4 jaar aan de zwerm. Het onderzoek werd gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) in het kader van het programma Natural Artificial Intelligence. Het doel van het onderzoeksproject was om stappen te zetten in de richting van het gebruik van zwermen drones bij reddingsoperaties.

Het voornaamste uitgangspunt was dat reddingswerkers in de toekomst een zwerm kleine drones zouden kunnen loslaten om een rampgebied, bijvoorbeeld een gebouw dat op instorten staat, te verkennen. Die zwerm drones zou het gebouw binnenvliegen, dit verkennen en vervolgens terugkeren naar het basisstation met relevante informatie. Daardoor zouden de reddingswerkers hun inspanningen kunnen richten op de meest relevante gebieden, bijvoorbeeld gebieden met overlevenden.

Zoeken naar slachtoffers

Voor het project werden piepkleine drones van camera’s voorzien en er in een overdekte kantooromgeving op uitgestuurd om twee dummy’s te vinden die de rol vervulden van slachtoffers in een rampsituatie. Uit deze reddingsopdracht, die als ‘proof of concept’ dienst deed, bleek duidelijk dat een zwerm voordelen biedt. Binnen 6 minuten hadden 6 drones 80% van de open kamers te verkend – wat voor 1 drone onmogelijk zou zijn geweest. Daarnaast bleek het gebruik van een zwerm gunstig voor de redundantie. Eén drone ontdekte een slachtoffer, maar kon vanwege een hardwarefout in de camera geen beelden terugbrengen. Gelukkig legde een andere drone het slachtoffer ook op camera vast.

Uitdaging

"De grootste uitdaging bij het realiseren van verkenning door zwermen zit hem in de individuele intelligentie van de drones", vertelt Kimberly McGuire, de promovenda die het project uitvoerde. "Aan het begin van het project lag onze focus op het realiseren van de basale vliegfuncties, zoals het regelen van de snelheid en het vermijden van obstakels. Vervolgens hebben we een methode ontworpen waarmee de kleine drones elkaar konden waarnemen en ontwijken. Daarvoor hebben we elke drone voorzien van een chip voor draadloze communicatie en hebben we gebruik gemaakt van de signaalsterkte tussen die chips, een beetje zoals het aantal streepjes op het scherm van je telefoon kleiner wordt als je je thuis verder van de Wi-Fi-router beweegt. De grootste voordelen van deze methode zijn dat er geen extra hardware op de drone voor nodig is en er maar weinig berekeningen nodig zijn."

Autonome navigatie

De grootste uitdaging is dat het lastig is om kleine robots zelfstandig hun weg te laten vinden door een onbekende omgeving. Dit komt omdat kleine robots heel beperkt zijn in hun vermogen om waar te nemen en te rekenen.

Ook hier bood de natuur belangrijke inspiratie. Insecten maken geen gedetailleerde plattegronden. In plaats daarvan onthouden ze herkenningspunten en plekken die relevant zijn voor hun gedrag, zoals voedselbronnen en hun nest. "Het voornaamste idee achter de nieuwe navigatiemethode is om minimale eisen te stellen aan de navigatie: het enige wat wij van de robots eisen, is dat zij de weg kunnen terugvinden naar het basisstation", vertelt hoofdonderzoeker Guido de Croon. "Eerst verspreidt de zwerm zich door de omgeving, waarbij elke robot een andere voorkeursrichting volgt. Na de verkenning keren de robots terug naar een draadloos baken bij het basisstation."

Trajecten van zes minidrones die in minder dan zes minuten een hele kantoorverdieping verkennen. De drones vertrekken vanaf het basisstation op de startlocatie in het midden, verkennen de open kamers, en keren ten slotte terug naar het basisstation

Insectenalgoritme

"De voorgestelde navigatiemethode is een nieuw type insectenalgoritme", vervolgt McGuire. "Zulke algoritmes maken geen plattegrond van de omgeving met daarin alle obstakels, maar ontwijken de obstakels gewoon wanneer ze die tegenkomen. In principe is een gedetailleerde plattegrond heel handig, omdat een robot dan van het ene punt op de kaart naar het andere kan navigeren volgens een optimale route. Maar voor kleine robots is het te duur om zo’n plattegrond te maken. Het voorgestelde bug algorithm levert minder efficiënte routes op, maar heeft als voordeel dat het ook in piepkleine robots kan worden geïmplementeerd."